Geri Dön

Electro-magnetic properties and phononic energy dissipation in graphene based structures

Grafen tabanlı yapılarda elektronik-manyetik özellikler ve fononik enerji yitimi

PDF İndir

  1. Tez No: 216689
  2. Yazar: HALDUN SEVİNÇLİ
  3. Danışmanlar: PROF. SALİM ÇIRACI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2008
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Bölümü
  12. Bilim Dalı: Katıhal Fiziği Ana Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 80

Özet

Grafen olarak adlandırılan grafitin tek atom kalınlığındaki düzlemsel bal peteği yapısının sentezlenmesiyle kütlesiz Dirac fermiyonu davranışı ve Fermi seviyesini lineer olarak kesen elektronik bantların yolaçtığı etkiler aktif araştırmaların odağı haline geldiler. Bu tezde grafen tabanlı yapılarda elektronik ve manyetik özelliklerle fononik enerji yitimi teorik olarak incelenmiştir. İlk olarak grafen yapıların 3d-geçiş elementleriyle (GE) işlevselleştirilmesi incelenmiştir. Bağlanma enerjileri, elektronik ve manyetik özellikler GE'lerin grafenin hem tek hem çift tarafına bağlandığı durumlar için hesaplanmış; bağlanma enerjilerinin GE'ye ve kaplama yoğunluğuna bağlı olarak 0.10 eV ile 1.95 eV arasında değiştiği bulunmuştur. GE bağlanmış grafen, manyetik metal özelliği göstermektedir. GE'lerin `armchair' kenar şekline sahip grafen nano-şeritlere (AGNŞ) bağlanması da incelenmiş; incelenen bütün şerit genişlikleri ve geçiş elementleri için en düşük enerjili durumun GE'lerin kenardaki altıgenlere bağlanmasıyla sağlandığı bulunmuştur. Çıplak hallerinde manyetik özelliği olmayan ve birer yarı-iletken olan AGNŞ'ler, GE bağlandığında şerit genişliği ve GE türüne bağlı olarak ferromanteyik veya antiferromanyetik olabilmekte, metalize olabildikleri gibi yarı-iletken durumlarını koruyabilmektedirler. Bazı AGNŞ'ler Fe veya Ti bağlanmasıyla Fermi seviyesinde %100 spin polarizasyonu göstererek yarı-metal özelliği kazanabilmektedirler. Bu sonuçlar grafen ve AGNŞ'lerin elektronik ve manyetik özellklerinin 3d GE bağlanmasıyla önemli değişiklikler gösterdiğini ortaya koymaktadır. İkinci olarak değişik kalınlıklara sahip zigzag kenar şekline sahip grafen nano-şeritlerin (ZGNŞ) periyodik olarak tekrarlanmasıyla oluşturulan hetero-yapıların çoklu kuvantum kuyuları oluşturduğu gösterilmiştir. Bu kuyularda farklı spin yönlerindekikenar durumları hapsolabilmekte, dolayısıyla ZGNŞ'nin elektronik ve manyetik özellikleri gerçek uzayda değişimler gösterebilmektedir. Ayna simetrisininvarolmadığı geometrilerde ZGNŞ'nin taban durumu antiferromanyetikten ferrimanyetiğe dönüşmektedir. Değişik geometrilere sahip bu kuvantum yapılar spintronik uygulamalar için yeni bir zemin sunmaktadır. Üçüncü olarak, sonlu bir AGNŞ'nin kalınlığı modüle edilmiş, kuvantun taşınım hesaplamalarına dayanarak bu yapılarda çift bariyerli resonant tünelleme etkisinin varlığı gösterilmiş ve bu yapılar bir aygıt uygulaması olarak önerilmiştir. Dar kısımlar tünelleme bariyeri gibi davranarak en yüksek enerjili dolu seviye ile en düşük enerjili boş seviye kalın bölgeye hapsolmuştur. Enerji seviyesi diyagramı ve eşyoğunluk yüzey grafikleriyle tespit edilen hapsolmuş seviyeler iletkenlik grafiğinde sivri piklere sebep olmaktadır. Son olarak, yerel atomik titreşimlerin alttaşa yayılımının dinamiği incelenmiştir. Bir alttaş ve onunla zayıf olarak etkileşen uyarılmış bir nano-parçacıktan oluşan bir model sistem ele alınmış; üç farklı metod ile değişik etkileşim tipleri, alttaş için değişik boyutlar ve değişik fonon durum yoğunlukları farzedilerek enerji yitiminin dinamiği incelenmiştir. Bu analizlerin sonuçları uyarılmış bir benzen molekülünden grafen yüzeye enerji yitimini konu alan gerçekçi bir sistemde titreşim modları ve etkileşim sabitleri ilk prensiplerden hesaplanarak sınanmıştır.

Özet (Çeviri)

With the synthesis of a single atomic plane of graphite, namely graphene honeycomb structure, active research has been focused on the massless Dirac fermion behavior and related artifacts of the electronic bands crossing the linearly at the Fermi level. This thesis presents a theoretical study on the electronic and magnetic properties of graphene based structures, and phononic energy dissipation. First, functionalization of these structures by 3d-transition metal (TM) atoms is investigated. The binding energies, electronic and magnetic properties have been investigated for the cases where TM-atoms adsorbed to a single side and double sides of graphene. It is found that 3d-TM atoms can be adsorbed on graphene with binding energies ranging between 0.10 to 1.95eV depending on their species and coverage density. Upon TM-atom adsorption graphene becomes a magnetic metal. TM-atoms can also be adsorbed to graphene nanoribbons with armchair edge shapes (AGNRs). Binding of TM-atoms to the edge hexagons of AGNR yield the minimum energy state for all TM-atom species examined in this work and in all ribbon widths under consideration. Depending on the ribbon width and adsorbed TM-atom species, AGNR, a non-magnetic semiconductor, can either be a metal or a semiconductor with ferromagnetic or anti-ferromagnetic spin alignment. Interestingly, Fe or Ti adsorption makes certain AGNRs half-metallic with a 100% spin polarization at the Fermi level. These results indicate that the properties of graphene and graphene nanoribbons can be strongly modified through the adsorption of 3d TM atoms. Second, repeated heterostructures of zigzag graphene nanoribbons of different widths are shown to form multiple quantum well structures. Edge states of specific spin directions can be confined in these wells. The electronic and magnetic state of the ribbon can be modulated in real space. In specific geometries, the absence of reflection symmetry causes the magnetic ground state of whole heterostructure to change from antiferromagnetic to ferrimagnetic. These quantum structures of different geometries provide novel features for spintronic applications. Third, as apossible device application, a resonant tunnelling double barrier structure formed from a finite segment of armchair graphene nanoribbon with varying widths has been proposed based on first-principles transport calculations. Highest occupied and lowest unoccupied states are confined in the wider region, whereas the narrow regions act as tunnelling barriers. These confined states are identified through the energy level diagram and isosurface charge density plots which give rise to sharp peaks originating from resonant tunnelling effect. Finally, we studied dynamics of dissipation of local vibrations to the surrounding substrate. A model system consisting of an excited nano-particle which is weakly coupled with a substrate is considered. Using three different methods, the dynamics of energy dissipation for different types of coupling between the nano-particle and the substrate is studied, where different types of dimensionality and phonon densities of states were also considered for the substrate. Results of this theoretical analysis are verified by a realistic study. To this end the phonon modes and interaction parameters involved in the energy dissipation from an excited benzene molecule to the graphene are calculated performing first-principles calculations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    200803

    Düşük boyutlu sistemlerin elektronik özellik-leri: dış manyetik alan etkisinde Ga1-xAlxAs/GaAs silindirik kuantum telinde hidrojenik safsızlık-lar ve eksitonların bağlanma enerjileri

    Electronic properties of low dimensional systems: the hydrogenic impurities and excitonic binding energies in cylindrical Ga1-xAlxAs/GaAs quantum wires under an externally applied magnetic field

    PINAR BAŞER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Fizik ve Fizik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. SEZAİ ELAGÖZ

    PROF.DR. UĞUR YAHŞİ

  2. Tez No

    486615

    Kuantum noktaların elektrik ve gerinim alanları etkisi altında modellenmesi ve tasarımı

    Modeling and design of quantum dots under the effect of electric and stress field

    NUR SEDA AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ERSİN EMRE ÖREN

  3. Tez No

    676588

    Thin film coatings with various materials and techniques for smart glass applications

    Akıllı cam uygulamaları için farklı malzemeler ve tekniklerle ince film kaplamalar

    AYŞE DİCEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ESRA ZAYİM

  4. Tez No

    425773

    Poss esaslı nanokompozitlerin foto-'click' tepkimesiyle hazırlanması ve endüstriyel uygulamaları

    Preparation of poss-based nanocomposites by photoinduced CuAAC click reaction and their industrial application

    İREM ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova Üniversitesi

    Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ATİLLA TAŞDELEN

  5. Tez No

    570279

    Yürüyen dalgalı tüp kuvvetlendiricilerinde tek helisli yavaş dalgalı yapıların analizi, tasarımı ve incelenmesi

    Analysis, design and investigation of single helix slow-wave structures in traveling wave tube amplifiers

    AGAH OKTAY ERTAY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERKAN ŞİMŞEK

Geri Dön